煤礦刮板輸送機(jī)鏈輪精密成形工藝初步設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

顧建新

（冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)通方煤礦機(jī)械有限公司，河北邯鄲）

鏈輪是刮板輸送機(jī)的核心部件之一，鏈輪加工的精密程度將直接決定刮板輸送機(jī)的運(yùn)行效率。目前常用的鏈輪精密成形工藝有胎模鍛成形、分流成形、冷擠壓成形等若干種。其中，胎模鍛成形工藝具有工序少、成本低、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在鏈輪鍛件成形中被廣泛應(yīng)用。為了進(jìn)一步降低殘次品率，需要借助于仿真軟件構(gòu)建有限元模型，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確保加工出來(lái)的鍛件能夠符合要求。

1 鏈輪精密成形工藝的設(shè)計(jì)

1.1 精密成形工藝流程

鏈輪精密成形工藝流程如圖1 所示。

圖1 鏈輪精密成形工藝流程

在鏈輪的精密成形工藝流程中，精確下料和胎模鍛成型是兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在下料階段，要結(jié)合鏈輪的組成結(jié)構(gòu)以及成形要求選擇合適的坯料，然后用高速圓盤鋸床下料。得到坯料后使用銼刀、砂紙等將表面的毛刺、銹斑等清理干凈，以便于提升下一步的加熱處理效果。另外，在下料時(shí)要以凹模齒根的直徑為參照，在此基礎(chǔ)上減小2 mm 作為坯料的直徑，保證坯料可以順利放入凹模的模腔內(nèi)。然后按照“體積不變”原則，求得毛坯的高度。在胎模鍛成形階段，首先把坯料放入凹模的模腔，然后借助于套筒完成定位，最后啟動(dòng)壓力機(jī)讓凸模鐓擠坯料從而得到鏈輪鍛件[1]。

1.2 模具結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)

1.2.1 凸模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鏈輪精密成形工藝中有2 塊凸模，1#凸模可用于成形中心孔直徑較大的管狀坯料，其結(jié)構(gòu)如圖2（左）所示；2#凸模可用于成形實(shí)心坯料，其結(jié)構(gòu)如圖2（右）所示。

圖2 凸模結(jié)構(gòu)（單位：mm）

為了方便凸模的固定和取出，在凸模的上方開孔，孔深為90 mm；孔內(nèi)擰上長(zhǎng)度為75 mm 的M50螺栓，在鍛件成形后使用鉗子夾住螺栓即可將凸模取出。

1.2.2 套筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

套筒的主要功能有兩個(gè)：其一是定位凸模、坯料；其二是成形鍛件的輪轂部分。以套筒為約束，保證了凸模在軸向運(yùn)動(dòng)時(shí)，凸模和坯料的垂直度始終保持一致，對(duì)提高坯料的加工精度有一定幫助。另外，為了方便套筒的安裝和取出，在套筒下端設(shè)置有5°的斜度，該斜度與鍛件輪轂的斜度一致，套筒的結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 套筒結(jié)構(gòu)（單位：mm）

1.2.3 凹模結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凹模是整套模具中最重要的部分，可用于成形鏈輪鍛件的齒形塊部位。為了方便凹模的安裝可取出，在凹模與套筒之間留出了40 mm 的間隙和1°的出模斜度。凹模的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 凹模結(jié)構(gòu)（單位：mm）

1.2.4 芯棒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在加工中心孔直徑較大的管狀坯料時(shí)，由于這類坯料的高徑比大，在受到垂直方向的壓力后很容易發(fā)生內(nèi)壁折疊現(xiàn)象。為避免此問(wèn)題的發(fā)生，在鏈輪精密成形工藝中設(shè)計(jì)了2 塊芯棒。上芯棒的高度為480 mm，上半部分是高200 mm、寬190 mm 的矩形，下半部分是高280 mm、頂面寬190 mm、底面寬150 mm的梯形。在底部有一個(gè)高50 mm、寬100 mm 的梯形凸起，用于嵌入下芯棒的凹槽，起到連接上、下芯棒的作用。下芯棒的高度為480 mm，下半部分是高250 mm、寬190 mm 的矩形，上半部分是高230 mm、頂面寬150 mm、地面寬190 mm 的梯形。在頂部有一個(gè)高51 mm、寬100 mm 的梯形凹槽，與上芯棒的凸體對(duì)接。將上、下芯棒分別從管狀坯料的上、下方向插入，在坯料加壓成形過(guò)程中可以提供支撐力，防止管狀坯料向內(nèi)折陷。

1.2.5 固定板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在鏈輪鍛件成形期間，凸模擠壓坯料，坯料受到擠壓后再將力傳遞給套筒。尤其是在成形后期，由于壓力機(jī)施加的壓力越來(lái)越大，坯料與套筒之間的作用力和反作用力也會(huì)更加明顯。當(dāng)成形力增加到一定值后，套筒與凹模之間出現(xiàn)一定寬度的縫隙，原本應(yīng)當(dāng)流向鍛件齒輪部位的金屬流會(huì)從這個(gè)縫隙中流出，導(dǎo)致鍛件出現(xiàn)明顯的飛邊；同時(shí)，鍛件的輪齒部位也會(huì)出現(xiàn)填充不飽滿的情況，最終加工出來(lái)的鍛件達(dá)不到成形要求[2]。為了避免上述問(wèn)題的發(fā)生，在鏈輪精密成形工藝中加裝了固定板，分別安裝在套筒的周邊，使套筒與凹模連接成整體。這樣當(dāng)套筒受到擠壓力后，固定板可以提供一個(gè)與擠壓力相反的支撐力，從而避免套筒與凹模之間出現(xiàn)裂隙，對(duì)提高鏈輪鍛件的成形效果有積極幫助。

1.3 鍛件脫模方式

在鏈輪精密成形工藝中，如何保證已經(jīng)成形的鍛件順利從模具中脫出也是必須要考慮的問(wèn)題。鍛件脫模的難點(diǎn)主要來(lái)自于兩個(gè)方面：其一是在成形期間，由于模具受到了較大的擠壓力容易出現(xiàn)彈性變形或塑性變形，導(dǎo)致鍛件脫模阻力增加，難以順利脫模；其二是鏈輪鍛件的軸線尺寸較長(zhǎng)，并且齒輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也會(huì)增加脫模難度。基于上述情況，本文提出了一種“頂件器下推式”脫模方法，其原理是在鍛件的鍛壓環(huán)節(jié)完成后，依次將凸模與套筒取出，然后插入頂件器并且使頂件器下方的輪齒進(jìn)入到凹模的齒腔內(nèi)，確保頂進(jìn)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)偏移情況。然后為模具內(nèi)的鍛件提供一個(gè)推力，使其從凹模中脫出[3]。

2 鏈輪精密成形工藝的數(shù)值模擬

2.1 設(shè)定數(shù)值模擬參數(shù)

通過(guò)精密成形數(shù)值模擬可以直觀地認(rèn)識(shí)金屬鍛件在各個(gè)階段的形變過(guò)程。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)、調(diào)整工藝參數(shù)，確保在實(shí)際生產(chǎn)中能夠提高鍛件加工質(zhì)量，降低殘次品率。數(shù)值模擬的前提條件是假定坯料的材質(zhì)均勻，并且在成形期間主要發(fā)生塑性變形，不涉及彈性變形[4]。本文使用SFTC 公司開發(fā)的DEFROM-3D 有限元分析軟件進(jìn)行鏈輪精密成形數(shù)值模擬，具體的參數(shù)設(shè)置如下：

（1） 鏈輪精密成形屬于熱鍛成形工藝的一種，需要提供高溫環(huán)境，因此在坯料材質(zhì)的選擇上優(yōu)先考慮45 鋼。在“初始條件設(shè)置“界面，將模具類型設(shè)定為剛性體，將坯料類型設(shè)置為塑性體，將泊松比設(shè)定為0.25。

（2） 在“摩擦模型設(shè)置”界面，選擇剪切摩擦模型，并將摩擦系數(shù)設(shè)定為熱鍛摩擦系數(shù)0.25。

（3） 在“溫度”界面，將坯料溫度設(shè)定為1 000℃，模具溫度為360 ℃，坯料與模具之間的熱傳導(dǎo)率為5。

2.2 確定數(shù)值模擬方案

為了進(jìn)一步了解鏈輪精密成形工藝中不同類型坯料的成形效果，選擇3種類型的坯料并設(shè)計(jì)了對(duì)應(yīng)的3 套數(shù)字模擬方案。一號(hào)方案中使用1#管狀坯料，中心孔直徑為190 mm；二號(hào)方案中使用2#管狀坯料，中心孔直徑為100 mm；三號(hào)方案中使用3#實(shí)心坯料，直徑為100 mm。使用DEFORM-3D 軟件建立3 個(gè)有限元模型，如圖5 所示。

圖5 三種成形方案的有限元模型

圖5 中從左至右分別為1#管狀坯料、2#管狀坯料、3#實(shí)心坯料。數(shù)字1～7 分別表示1#凸模、套筒、上芯棒、凹模、坯料、下芯棒、2#凸模。在成形工藝上，為了直觀地觀察不同模型鏈輪鍛件在成形效果上的差異，數(shù)值模擬采用了“凸模單向、雙向鐓擠成形”。這里以3#實(shí)心坯料為例，在凸模單向鐓擠階段，2#凸模不動(dòng)，只負(fù)責(zé)固定坯料，然后1#凸模自上而下的鐓擠坯料；在1#凸模向下運(yùn)動(dòng)到指定位置后停止，再由2#凸模自下而上的鐓擠坯料。重復(fù)上述過(guò)程，直到鍛件填充飽滿為止。

2.3 數(shù)值模擬方案分析

觀察3 種坯料在成形后的等效應(yīng)力場(chǎng)圖，可以發(fā)現(xiàn)鍛件的應(yīng)力場(chǎng)分布不均勻，總體上呈現(xiàn)出從輪齒到芯部先減小后增加的趨勢(shì)[5]。其中，1#管狀坯料的輪齒兩端應(yīng)力集中，最大等效應(yīng)力值可達(dá)1 033 MPa；2#管狀坯料和3#實(shí)心坯料的輪齒、芯部應(yīng)力集中，前者的最大等效應(yīng)力值為1 057 MPa，后者的等效應(yīng)力值為1 081 MPa。3 種方案下鏈輪模具不同部位的成型載荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同形狀胚料模具最大成形載荷（單位：N）

由表1 數(shù)據(jù)可知，對(duì)于模具的相同位置來(lái)說(shuō)，3#實(shí)心坯料的成型載荷要高于管狀坯料。以上凸模為例，3#實(shí)心坯料的最大成形載荷為5.02×107N，高于2#管狀坯料的4.43×107N 和1#管狀坯料的2.31×107N。分析其原因，1#管狀坯料中心孔尺寸較大，有分流和減壓的效果，因此成形載荷最小；2#管狀坯料中心孔尺寸較小，分流和減壓效果要弱于1#管狀坯料，成形載荷次之。3#實(shí)心坯料無(wú)中心孔進(jìn)行分流和減壓，因此成形載荷最大。橫向?qū)Ρ葋?lái)看，3#實(shí)心坯料應(yīng)變較為穩(wěn)定，變形應(yīng)力較小，不會(huì)發(fā)生管狀坯料向內(nèi)折陷的問(wèn)題，并且制坯、取坯較為簡(jiǎn)單，在成形質(zhì)量高于2 種管狀坯料。

結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)的鏈輪切削加工成型工藝具有熱處理工序多、制造成本高、生產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)等缺陷，本文提出了一種改進(jìn)的鏈輪精密成形工藝，只需要一次齒形表面淬火，簡(jiǎn)化了工藝流程、提高了生產(chǎn)效率、降低了制造成本。在優(yōu)化工藝流程和模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，使用有限元分析軟件設(shè)計(jì)工藝模型并進(jìn)行數(shù)字模擬，結(jié)果表明實(shí)心坯料的應(yīng)力分布均勻、變形應(yīng)力較小，對(duì)提高鏈輪鍛件成形質(zhì)量有積極幫助，為實(shí)際生產(chǎn)提供了指導(dǎo)。